兩種阻燃纖維的結構與性能對比研究

陳 敏,董子靖,孫潤軍,張 弦,郝靜嫻

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710048)

隨著社會經濟的發展,各類紡織品用量迅速增長。由于大多數纖維和紡織品極易燃燒,嚴重限制了其應用范圍,因此研究纖維的阻燃性能具有非常重要的現實意義。所謂“阻燃”,并不是指材料在接觸火源時不燃燒,而是材料在火焰中能降低其可燃性,減緩火焰蔓延速度,不形成大面積燃燒[1]。當火焰移去后,材料能很快自熄,沒有續燃現象發生從而停止燃燒。阻燃纖維[2]是指與火源接觸后,纖維不能燃燒或燃燒得不充分,僅有較小的火焰,撤走火源,火焰能較快自行熄滅的纖維。阻燃纖維及其紡織品廣泛應用于民用、工業以及軍事等領域[3]。

目前市場上阻燃纖維的種類繁多[4],如阻燃滌綸纖維、阻燃錦綸纖維、阻燃黏膠纖維及腈氯綸纖維等。滌綸具有較高的斷裂強度和彈性模量[5],回彈性適中,耐光、耐熱、耐腐蝕,是目前產量最大應用最為廣泛的合成纖維[6]；腈氯綸纖維手感柔軟自然,吸水性好,而且還具有阻燃性能,其織物具有優異的服用性、挺括性以及抗褶皺性[7]。

阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維都具有較好的阻燃性能,采用對比研究的方式探討了國產阻燃滌綸纖維和腈氯綸的結構特性、可紡性以及阻燃性。研究結果為2種阻燃纖維在服裝、家紡、公共場所內飾等領域的應用提供了一定的理論支持。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

材料 阻燃滌綸纖維(廣州市中誠新型材料科技有限公司)；腈氯綸纖維(廣州市中誠新型材料科技有限公司)。

儀器 Spotlight400&Frontie傅里葉紅外光譜儀(Perkin Elmer)；YG(B)0022A 纖維細度綜合分析儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)；Y171 型纖維切斷器(常州第二紡織儀器廠有限公司)；YG747型通風式快速烘箱(常州第二紡織儀器廠有限公司)；Y331A 型捻度儀(常州市雙固頓達機電科技公司)；YG(B)008E 型電子單纖維強力機(萊州市電子儀器有限公司)；YG321型纖維比電阻儀(溫州百恩儀器有限公司)；YSZ-I型極限氧指數測定儀。

1.2 性能測試

1.2.1 紅外光譜分析

使用傅里葉紅外光譜儀在波數4 000～400 cm-1下對阻燃滌綸和腈氯綸纖維進行測試分析[8]。

1.2.2 物理機械性能

采用直尺測量法測定阻燃滌綸及腈氯綸纖維的長度,采用中段切斷稱重法[9]測量纖維的細度；參照GB/T 9995-1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》對2 種纖維的回潮率進行測定[10]；使用Y331A 捻度儀對纖維試樣進行加捻,直至斷裂,得出斷裂時的捻回數,并將捻斷的纖維在量程為10 mg的扭力天平上稱重,計算得出其可撓度[11]；參照GB/T 14337-2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》測試2種纖維的拉伸性能[10]；參照GB/T 14342-2015《化學纖維 短纖維比電阻試驗方法》測定2種阻燃纖維比電阻[9]。

1.2.3 纖維阻燃性能

采用極限氧指數法[12]和45°燃燒法的接火次數法[13]2種方法測定纖維阻燃性。極限氧指數按照GB/T 5454-1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》測試；45°燃燒法的接火次數法測試參照JISL 1091-1999《纖維產品燃燒性實驗方法》進行。

1.2.4 纖維燃燒性能

取一小束纖維,緩慢地移近火焰,仔細觀察纖維接近火焰、在火焰中的燃燒狀態,燃燒時散發的氣味,以及燃燒后灰燼的狀態,進行記錄和比較[14]。

2 結果與討論

圖1 阻燃滌綸與腈氯綸纖維紅外光譜圖

2.1 紅外光譜

阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維的紅外光譜圖如圖1所示,阻燃滌綸在723 cm-1處有一強的吸收峰,該峰值為對位雙取代苯環上-CH2面內的搖擺振動峰,而在1 017、1 096、1 241 cm-1處的吸收峰為C-O 伸縮振動峰,在1 409 cm-1和1 713 cm-1處的吸收峰分別對應苯環骨架振動峰和酯類C=O 伸縮振動峰。因此分析可得,阻燃滌綸纖維的化學結構與聚酯纖維的化學結構相似[15]。

腈氯綸纖維在700 cm-1處有一強的吸收峰,該峰表明它含有氯乙烯[15],在1 060、1 436、2 247 cm-1處的吸收峰分別對應C-N 彎曲振動吸收峰、C-N 面內彎曲振動吸收以及C≡N 伸縮振動吸收峰,在1 436 cm-1和2 247 cm-1處的吸收峰為丙烯腈系纖維的特征峰值[16],在2 921 cm-1處的吸收峰為CH2和CH3基團中的C-H 伸縮振動吸收峰。可見腈氯綸纖維是改性腈綸纖維,是丙烯腈單體與含阻燃元素的乙烯基化合物共聚而成[17]。

2.2 物理機械性能

阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維物理機械性能測試見表1。由表1可知,阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維均屬于中長型化纖,阻燃滌綸纖維的回潮率小于腈氯綸纖維回潮率。阻燃滌綸纖維平均回潮率為1.2%,而滌綸公定回潮率為0.4%,可見阻燃滌綸經過改性處理后回潮率增大,這是因為阻燃滌綸的結構比滌綸纖維疏松。腈氯綸纖維是改性腈綸纖維,其回潮率為1.7%,而腈綸的公定回潮率為2%,腈氯綸纖維經改性后回潮率減小。

表1 2種纖維的物理機械性能測試

阻燃滌綸纖維的可撓度比腈氯綸纖維的可撓度大,這是由于阻燃滌綸纖維比腈氯綸纖維抗扭轉性能好,可以施加較大的捻度而不會引起纖維斷裂。

阻燃滌綸纖維的斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂伸長、屈服強力均大于腈氯綸纖維,即阻燃滌綸纖維的拉伸斷裂性能優于腈氯綸纖維。這是由于阻燃滌綸分子中有不能內旋轉的苯環,為剛性分子,分子鏈易于保持線型。大分子在這一條件下很容易形成結晶,故阻燃滌綸的結晶度和取向性較高。結晶度越高,纖維分子排列越整齊,分子間結合力愈強,則纖維的斷裂強度、斷裂強力、屈服強力就較高。

阻燃滌綸纖維的比電阻值小于腈氯綸纖維的比電阻值,可見阻燃滌綸纖維可紡性更好。比電阻的大小會影響纖維的可紡性能,比電阻越大,產生的靜電越大,纖維的可紡性低。

綜上所述,阻燃滌綸纖維的可紡性優于腈氯綸纖維。

2.3 纖維阻燃性能

采用極限氧指數法和45°燃燒法的接火次數法測定纖維的阻燃性,結果見表2。

由表2可得,阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維的極限氧指數(LOI值)均大于27%,符合阻燃性評定標準,屬于阻燃纖維。阻燃滌綸纖維的LOI值大于腈氯綸的LOI值。極限氧指數越高表明阻燃性能越好,因此,阻燃滌綸纖維的阻燃性能優于腈氯綸纖維。

表2 2種纖維的阻燃性能

按照日本工業標準JIS 1091-77,接近火次數達到或超過3次的纖維為阻燃纖維,總接近火次數表示阻燃級數。由表2中結果可知,阻燃滌綸纖維接近火的次數達7次以上,腈氯綸纖維接近火次數為5次以上,因此阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維均達到纖維阻燃要求,且阻燃滌綸纖維的阻燃級數高于腈氯綸纖維阻燃級數。

由分析可得,阻燃滌綸的阻燃性比腈氯綸纖維好。

2.4 纖維燃燒性能

纖維燃燒性能測試結果見表3。測試發現:在接觸火焰時,阻燃滌綸纖維出現熔滴現象,有燒橡膠味,不冒煙,燃燒后殘留物質是黃白色硬圓珠狀,可見其缺點是接觸火焰會出現熔滴。這是因為阻燃滌綸纖維是熱塑性高聚物,其基體受熱之后會軟化、熔融并且會裂解。腈氯綸纖維接觸火焰時不熔不縮,冒灰煙,有燒紙味,燃燒后殘留物質是黑色硬塊狀,接觸火焰不會產生熔滴現象。相對于阻燃滌綸纖維而言,腈氯綸纖維接觸火焰不會產生熔滴現象。

表3 纖維燃燒性能測試結果

3 結論

通過測試分析,可得出結論。

(1)阻燃滌綸纖維化學結構與聚酯纖維相似,腈氯綸纖維是經腈綸纖維改性得到,因此物理機械性能、外觀和后加工性能均與普通滌綸、腈綸纖維相近。

(2)2種阻燃纖維均屬于中長型化纖,通過物理機械性能測試,發現阻燃滌綸纖維相比于腈氯綸纖維,回潮率更小,可撓度大,拉伸斷裂性能更優,比電阻值小,其可紡性優于腈氯綸纖維。

(3)阻燃性和燃燒性試驗結果表明,2種阻燃纖維極限氧指數雖然符合難燃材料要求,阻燃滌綸纖維阻燃性更好,但阻燃滌綸纖維存在熔滴,無法單獨用作阻燃防護服的開發。

4 展望

腈氯綸不但具有腈綸的手感柔軟和色澤鮮艷等優良紡織性能,而且還具有含氯纖維的阻燃性,常用于制造人造毛皮、家用紡織品、裝飾紡織品材料、童裝及工業用濾布等[18]。但是與腈綸纖維一樣上染率低,不易染成深色,并且染色殘液不利于環保,需解決其染色問題[19]。

阻燃滌綸纖維不僅保持滌綸纖維的模量高、強度高、彈性高、良好的保形性和耐熱性等優點,還有著優異的阻燃性能。但其熔滴現象會造成火災蔓延,并傷害人體,制約了常規阻燃滌綸纖維的發展,因此阻燃滌綸的抗熔滴性研究是重要的發展方向[20]。

通過對阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維的對比分析可知,2種纖維分別由滌綸和腈綸纖維改性而得,因此物理機械性能、外觀和后加工性能均與普通滌綸、腈綸纖維相近。阻燃滌綸纖維和腈氯綸纖維均有良好的阻燃性能,可將阻燃滌綸纖維與腈氯綸纖維混紡,腈氯綸燃燒時會炭化,產生致密的焦炭,致密的焦炭起到支架作用,防止阻燃滌綸纖維熔融滴落,與此同時還可以促進阻燃滌綸熔滴的炭化,提高成炭率,有效解決阻燃滌綸纖維的熔滴現象。